Relais mit zwangsgeführten Kontakten für die Bahntechnik

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Durch den bahnspezifischen Anwendungsbereich besticht die EN 50155 in den klaren Vorgaben für den Arbeitsbereich von Komponenten und Systemen. So sind die Anforderungen an die Spannungsversorgung der Systeme sehr detailliert definiert.

• Mindestspannung: 0,7 U_nenn

• Nennspannung: 1 U_nenn

• Bemessungsspannung: 1,15 U_nenn

• Höchstspannung: 1,25 U_nenn

Hinzu kommt, dass auch das Verhalten bei Störungen der Spannungsversorgung beschrieben wird. Dies sind in erster Linie Systemvorgaben. Inwieweit Komponenten diese Forderungen zu erfüllen haben wird vom Systemdesign entschieden.

Muss jedoch die Relaisspule in einem Bereich von 0,7 bis 1,25 U_nenn arbeiten, ist zu prüfen in welchem Maß die Relaisspule dies leisten kann.

Da die Relaisspule nur in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur berechnet werden kann, ist diese mit zu betrachten. Glücklicherweise haben die Bahnspezialisten die Umgebungstemperatur in der EN 50155 sehr gut abgebildet und in Temperaturklassen von T1 bis TX gegliedert (Tabelle 1).

Dies macht es einfacher Parameter nachzubilden und entsprechende Aussagen zum Bauteilverhalten zu liefern. Sicherlich werden gegenüber Standardanwendungen eine größere Anzahl an Parametern gefordert, deren Ermittlung auch einen gewissen Aufwand erfordern, aber sie sind viel einfacher zu definieren und Diskussionen in der späteren Anwendung erübrigen sich.

Wenn die Parameter abgeglichen sind, muss die Adaption der Standardprodukte erfolgen. Bei Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach EN 50205 hat man, in Bezug auf die Umgebungstemperatur und Leistungsaufnahme der Relaisspule recht sorgfältig zu betrachtende Komponenten. Dies wird an einem einfachen Beispiel deutlich. Im Vergleich zu einem typischen stehenden Industrierelais mit 2 WK, das rund 500 mW Spulennennleistung aufweist, liegt dieser Wert bei dem vergleichbaren Modell mit zwangsgeführten Kontakten zwischen 700 mW und 1 W. Dies ist u.a. durch folgende Faktoren begründet:

• Größere Kontaktöffnungsweite (0,5 mm im gestörten Zustand).

• Höhere Rückfallspannung (10% U_nenn).

• Kraftverlust durch die Zwangsführung.

Um die geforderten Parameter der Bahntechnik zu erreichen, müssen die Relaisantriebe nach den o.g. Parametern überprüft werden. Dabei spielt vor allem das Grunddesign des Relais eine entscheidende Rolle. Nicht nur der Relaisantrieb, sondern auch die verwendeten Materialien und das Relaisdesign müssen den veränderten Bedingungen grundsätzlich entsprechen. Wenn dies der Fall ist, können die Relaisantriebe den erweiterten Anforderungen angepasst werden. Dies bedeutet oftmals, dass eine Relaisspule mit einem weiteren Arbeitsbereich bei höheren Temperaturen „gewickelt“ wird. Dabei ist völlig klar, dass die Antriebswerte des Relais gleich bleiben müssen. Ebenso sind wichtige Relaisparameter wie Schock- und Vibrationsfestigkeit weiterhin gleich dem Standardprodukt.

Es kann darüber hinaus notwendig sein einige zusätzliche Werte zu ermitteln, die Industriekunden in dieser Form nicht benötigen. So beispielsweise für den vorbeugenden Brandschutz in Schienenfahrzeugen nach EN 50155. Der Aufwand hält sich dabei oftmals in Grenzen, da u.U. eine einfache Angabe der Kunststoffgewichtsanteile sowie die Information zur Brandschutzklasse nach UL94 ausreicht.

Wenn die Parameter, wie dies beispielhaft für die Relaisantriebe dargestellt wurde, erreicht werden, kommt im Bahnbereich noch eine explizite Forderung zur Zuverlässigkeit hinzu. Dabei ist eine Nutzungsdauer von 20 Jahren in der Regel nachzuweisen. Erfreulicher Weise ist dies für Relais mit zwangsgeführten Kontakten kein unbekanntes Feld, da deren hauptsächliches Einsatzgebiet die funktionale Sicherheit ist und es auch dort Vorgaben in ähnlicher Form gibt.

Leider treffen hier beide Welten aufeinander und es kann zu babylonischen Sprachverwirrungen kommen. Es ist wichtig, dass eine gemeinsame Begriffsdefinition gefunden wird, bzw. die Übersetzung von der Welt der funktionalen Sicherheit in die Welt der Eisenbahntechnik und umgekehrt funktioniert. Sofern dies sichergestellt ist, können die gewünschten Informationen in der Regel problemlos „geliefert“ werden.

Geforderte Berechnungsverfahren der Zuverlässigkeit und die Nachprüfung der Zuverlässigkeit sind in den Relaisnormen IEC 61810-2 und IEC 61810-2-1 beschrieben. B10d-Werte für die die entsprechenden Zuverlässigkeitsberechnungen zu Grunde liegen, können bereitgestellt werden.

Um von der Idee zum realen Relais in der Applikation zu kommen, ist ein Dialog zwischen Systementwicklung und Relaisberatung notwendig. Die Erfahrung zeigt, dass über den Abgleich der Vorgabeparameter hinaus noch wichtige Informationen hinzu kommen müssen, um das für die Applikation beste Relais zu definieren. Die Beurteilung der Lastparameter, Platzverhältnisse auf der Platine, Fragen zur Ansteuerung, Schutzbeschaltung oder auch die Relaisanordnung auf dem Board können im Gespräch mit den Relaisspezialisten dazu führen, dass aus einer guten Lösung eine noch bessere wird.

Der Einsatz von Relais mit zwangsgeführten Kontakten nach EN 50205 in der Bahntechnik ist ein Garant für Sicherheit und heute in vielen Applikationen nicht mehr wegzudenken. Weltweit nimmt der Schienenverkehr immer mehr zu und das erfordert auch immer höhere Sicherheitsstandards für den rollenden Bereich wie auch für die Infrastruktur entlang der Bahnstrecken. Eine Vielzahl von speziellen Relais zeigen, dass es durchaus möglich ist, die Vorteile von Standardkomponenten in sehr sensiblen Industriebereichen mit höheren technischen Vorgaben zu nutzen.

Elektromechanische Relais

Welche Auswahlkriterien man für Relaisspulen anwenden sollte

* Jürgen Steinhäuser arbeitet als Leiter Vertrieb und Marketing bei Elesta in Bad Ragaz / Schweiz.

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